目前，在許多需要在本地進行數(shù)據(jù)分析的“永遠在線”的物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備中，神經(jīng)網(wǎng)絡正在變得越來越普及，主要是因為可以有效地同時減少數(shù)據(jù)傳輸導致的延時和功耗。 而談到針對物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備上的神經(jīng)網(wǎng)絡，我們自然會想到Arm Cortex-M系列處理器內(nèi)核，那么如果您想要強化它的性能并且減少內(nèi)存消耗，CMSIS-NN就是您最好的選擇。基于CMSIS-NN內(nèi)核的神經(jīng)網(wǎng)絡推理運算，對于運行時間/吞吐量將會有4.6X的提升，而對于能效將有4.9X的提升。 CMSIS-NN庫包含兩個部分： NNFunction和NNSupportFunctions。 NNFunction包含實現(xiàn)通常神經(jīng)網(wǎng)絡層類型的函數(shù)，比如卷積（convolution），深度可分離卷積（depthwise separable convolution），全連接（即內(nèi)積inner-product）, 池化（pooling）和激活（activation）這些函數(shù)被應用程序代碼用來實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡推理應用。 內(nèi)核API也保持簡單，因此可以輕松地重定向到任何機器學習框架。NNSupport函數(shù)包括不同的實用函數(shù)，如NNFunctions中使用的數(shù)據(jù)轉換和激活功能表。 這些實用函數(shù)也可以被應用代碼用來構造更復雜的NN模塊，例如， 長期短時記憶（LSTM）或門控循環(huán)單元（GRU）。 對于某些內(nèi)核（例如全連接和卷積），會使用到不同版本的內(nèi)核函數(shù)。 我們提供了一個基本的版本，可以為任何圖層參數(shù)“按原樣”通用。 我們還部署了其他版本，包括進一步的優(yōu)化技術，但會對輸入進行轉換或對層參數(shù)有一些限制。 理想情況下，可以使用簡單的腳本來分析網(wǎng)絡拓撲，并自動確定要使用的相應函數(shù)。
我們在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）上測試了CMSIS-NN內(nèi)核，在CIFAR-10數(shù)據(jù)集上進行訓練，包括60,000個32x32彩色圖像，分為10個輸出類。 網(wǎng)絡拓撲結構基于Caffe中提供的內(nèi)置示例，具有三個卷積層和一個完全連接層。 下表顯示了使用CMSIS-NN內(nèi)核的層參數(shù)和詳細運行時結果。 測試在運行頻率為216 MHz的ARM Cortex-M7內(nèi)核STMichelectronics NUCLEO-F746ZG mbed開發(fā)板上進行。
整個圖像分類每張圖像大約需要99.1毫秒（相當于每秒10.1張圖像）。 運行此網(wǎng)絡的CPU的計算吞吐量約為每秒249 MOps。 預量化的網(wǎng)絡在CIFAR-10測試集上達到了80.3％的精度。 在ARM Cortex-M7內(nèi)核上運行的8位量化網(wǎng)絡達到了79.9％的精度。 使用CMSIS-NN內(nèi)核的最大內(nèi)存占用空間為〜133 KB，其中使用局部im2col來實現(xiàn)卷積以節(jié)省內(nèi)存，然后進行矩陣乘法。 沒有使用局部im2col的內(nèi)存占用將是〜332 KB，這樣的話神經(jīng)網(wǎng)絡將無法在板上運行。 為了量化CMSIS-NN內(nèi)核相對于現(xiàn)有解決方案的好處，我們還使用一維卷積函數(shù)（來自CMSIS-DSP的arm_conv），類似Caffe的pooling和ReLU來實現(xiàn)了一個基準版本。 對于CNN應用，下表總結了基準函數(shù)和CMSIS-NN內(nèi)核的比較結果。 CMSIS-NN內(nèi)核的運行時間/吞吐量比基準函數(shù)提高2.6至5.4倍。 能效提高也與吞吐量的提高相一致。
高效的NN內(nèi)核是充分發(fā)揮ARM Cortex-M CPU能力的關鍵。 CMSIS-NN提供了優(yōu)化的函數(shù)來加速關鍵的NN層，如卷積，池化和激活。 此外，非常關鍵的是CMSIS-NN還有助于減少對于內(nèi)存有限的微控制器而言至關重要的內(nèi)存占用。 更多細節(jié)在我們的白皮書中您可以讀到，您可以使用下面的按鈕從康奈爾大學圖書館網(wǎng)站下載。 CMSIS-NN內(nèi)核可在github.com/ARM-software/CMSIS_5上找到。 應用 代碼可以直接使用這些內(nèi)核來實現(xiàn)Arm Cortex-M CPU上的神經(jīng)網(wǎng)絡算法。 或者，這些內(nèi)核可以被機器學習框架用作原語函數(shù)（primitives）來部署訓練過的模型。 如需進一步資源，更詳細的產(chǎn)品信息和教程，幫助您解決來自邊緣ML的挑戰(zhàn)，請訪問我們的新機器學習開發(fā)者網(wǎng)站。 參考：CMSIS-NN: Efficient Neural Network Kernels for Arm Cortex-M CPUs White Paper |
